岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (9): 3004-3022   PDF    
阿尔泰可可托海3号脉伟晶岩型稀有金属矿床云母和长石的矿物学研究及意义
周起凤1,2, 秦克章1, 唐冬梅1, 丁建刚3, 郭正林4     
1. 中国科学院矿产资源研究重点实验室,中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 新疆有色地质勘查局701队, 昌吉 831100;
4. 新疆有色地质勘查局, 乌鲁木齐 830000
摘要: 可可托海3号脉伟晶岩型稀有金属矿床是阿尔泰造山带产出的规模最大的伟晶岩脉,其完美的同心环状结构分带举世闻名。云母和长石作为3号脉9个结构带的贯通性矿物,由外向内表现不同的结构和成分特征。其中,云母由白云母系列向锂云母系列演化,白云母呈黄-绿色中细粒→白色或绿色中粗粒-巨晶→白色或绿色书状集合体→白色或绿色中粗粒-巨晶,锂云母呈玫瑰紫中细粒鳞片状或楔状集合体,BSE图像下云母表现出成分分带及不平衡和交代结构;长石主要为钾长石和钠长石,及少量斜长石,钾长石主要呈块体产出,钠长石呈细粒→叶片状→薄片状产出。本次研究通过电子探针(EMPA)和激光剥蚀等离子质谱(LA-ICP-MS)获得3号脉各结构带云母和长石的主微量成分。3号脉云母具有高Li(249×10-6~35932×10-6)、Rb(1240×10-6~22825×10-6)、Cs(35.9×10-6~13980×10-6)、Ta(13.3×10-6~447×10-6)含量、低K/Rb值(4.23~59.4)和K/Cs值(6.53~2368),钾长石具有低K/Rb值(35.4~1865),且由外向内,随K/Rb值降低,云母的Li、Rb、Cs、F、Ta含量升高,表明3号脉是一个由外向内结晶的分异演化程度较高的伟晶岩脉。另外,连续相邻结构带中云母和长石的主微量成分呈振荡变化,该现象主要受熔体不混溶过程的控制,也受矿物结晶不平衡影响,而熔体不混溶过程也是控制3号脉结构分带的机制之一。外部带(Ⅰ-Ⅳ带)和内部带(Ⅴ-Ⅷ带)的云母和碱性长石在成分(FeO、Li、Rb、Cs、F、Ta含量和K/Rb值及K/Cs值)和结构(不平衡和交代结构)上具有明显差异,内部带演化程度明显加大,流体组分比例升高,表明体系由以熔体为主的阶段(外部带)进入以熔流体为主相对不稳定的阶段(外部带)。结合野外观察的证据,促使体系在Ⅳ带和Ⅴ带间发生突然转变而进入熔流体阶段的是一个泄压事件。
关键词: 伟晶岩     云母     长石     化学成分     结构分带     可可托海3号脉     阿尔泰    
Mineralogy and significance of micas and feldspars from the Koktokay No.3 pegmatitic rare-element deposit, Altai
ZHOU QiFeng1,2, QIN KeZhang1, TANG DongMei1, DING JianGang3, GUO ZhengLin4     
1. Key Laboratory of Mineral Resources,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;
2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;
3. No.701 Geological Team of Xinjiang Geoexploration Bureau for Nonferrous Metals, Changji 831100, China;
4. Xinjiang Geoexploration Bureau for Nonferrous Metals, Urumuqi 830000, China
Abstract: The Koktokay No.3 pegmatitic rare-element deposit with perfect and world-famous concentric internal zones is the largest pegmatite of the Altai orogen belt, hosting about 100,000 pegmatites. The micas and feldspars show different features of structure and composition in 9 internal zones. The micas belong to muscovite through I-VII zones and lepidolite in inner zones. From outer to inner, muscovites occur in yellow-green middle to fine grains, white or green middle-coarse-huge grains and white or green book assemblages. Lepidolites occur in middle-fine scaly or wedge-shaped assemblages. There are chemical zoning, disequilibrium and metasomatic structures of micas in backscattered images. The feldspars from the Koktokay No.3 pegmatite include K-feldspar, albite and some plagioclase. The K-feldspars occur in massive and albites occur in saccharoidal, blade and slice from outer to inner. The micas of the Koktokay No.3 pegmatite contain high Li(249×10-6~35932×10-6), Rb(1240×10-6~22825×10-6), Cs(35.9×10-6~13980×10-6), Ta(13.3×10-6~447×10-6), low K/Rb values(4.23~59.4)and K/Cs values(6.53~2368)and the K-feldspars contain low K/Rb values(35.4~1865). Also, from outer to inner, Li, Rb, Cs, F and Ta contents increase and K/Rb values decrease. Thus, the Koktokay No.3 pegmatite is a highly evolutionary pegmatite with increasing fractionation from outer to inner. The oscillation changes of major and trace element contents of micas and feldspars from continuous adjacent zones are possibly controlled by melt-immiscible process with minor effect of mineral crystallization and fractionation. Also, the melt-immiscible process possibly results in the internal zonation of the Koktoka No.3 pegmatite. There are significant differences of compositions(FeO, Li, Rb, Cs, F, Ta contents and K/Rb and K/Cs values)and structures(disequilibrium and metasomatic)of micas and feldspars between outer zones(Ⅰ-Ⅳ)and inner zones(Ⅴ-Ⅷ). Compared with outher zones, inner zones show more fractionation features and contain more fluid, suggesting that the system transformed from melt stage(outer zones)to instable melt-fluid stage(inner zones). On account of fieldwork, a pressure-relief event results in the the system abrupt change between zone Ⅳ and zone Ⅴ and contributes to more fluid exoslution and the formation of melt-fluid stage.
Key words: Pegmatite     Mica     Feldspar     Chemical composition     Texture zonation     The Koktokay No.3 pegmatite     Altai    
1 引言

新疆阿尔泰造山带发育10万余条伟晶岩脉,是我国重要的稀有金属产地(邹天人和李庆昌,2006)。可可托海3号脉伟晶岩型稀有金属矿床是阿尔泰造山带产出的规模最大的伟晶岩脉,其完美的同心环状结构分带举世闻名。前人对3号脉进行了大量研究,包括年代学(邹天人等,1986Chen et al., 2000Zhu et al., 2006Wang et al., 2007b任宝琴等,2011)、矿物学(Wang et al., 2006a, 2007a, 2009Zhang et al., 2004a, b,2008a,b Liu and Zhang, 2005Cao et al., 2013)和熔-流体演化过程(吴长年等, 1994, 1995a, bLu et al., 1997李兆麟等, 1998, 2000朱金初等,2000)等方面。

云母和长石作为伟晶岩的重要组成矿物和各结构带的贯通性矿物,其物理性质、化学组分及共生关系的研究对伟晶岩熔体的演化程度、伟晶岩脉的演化过程、结晶条件及稀有金属矿化潜力具有重要指示意义(Foord et al., 1995Jollif et al., 1992Lentz and Fowler, 1992Alfonso et al., 2003Černy et al., 2003Roda-Robles et al., 2007Van Lichtervelde et al., 2008Oyarzábal et al., 2008Vieira et al., 2011)。前人对3号脉产出的云母和长石这两类贯通性矿物进行了一定的研究。王贤觉等(1981) 报道了3号脉云母和长石的产状,并分析了白云母和长石的成分,探讨了稀有金属元素的替代机制、3号脉的演化程度及其形成的温度条件。张辉(2001) 探讨了3号脉碱性长石(钾长石和钠长石)的P2O5含量特征,认为其可指示伟晶岩岩浆演化程度。近年来,Wang et al.(2007a)对3号脉产出的晚期云母-富铯锂云母进行了研究,认为富铯锂云母是富铯流体对锂云母的交代或富铯流体直接沉淀所形成。

然而,由于受到测试手段的限制,前人研究中云母和长石的微量元素分析不完整,精度不高,未获得各结构带该贯通矿物系统全面的主微量成分。本次研究在系统野外观察和岩相描述基础上,通过电子探针(EMPA)和激光剥蚀等离子质谱(LA-ICP-MS)获得3号脉各结构带云母和长石的主微量成分,结合矿物的产状和BSE图像下的成分分带特征,探讨3号脉的演化程度,提出熔体不混溶过程的存在及重要性,并讨论了3号脉的熔体和熔流体这两个阶段的演化过程。

2 区域与矿床地质 2.1 区域地质背景

中国阿尔泰造山带位于西伯利亚板块和哈萨克斯坦-准噶尔板块之间,主体长500km,宽40~80km,是一个具有多大陆块体、岛弧和增生杂岩带特征而且多块体镶嵌、多缝合带拼接、山盆耦合的大地构造特征的显生宙增生型造山带(Şengör et al., 1993Xiao et al., 2004肖序常等,1992何国琦等,1994任纪舜等,1999刘锋等,2009),经历从古陆块的形成、陆壳的增生、板块的分离、直至最终聚合为统一稳定大陆的复杂而漫长的构造演化过程(秦克章,2000Windly et al., 2002Xiao et al., 2004Qin et al., 2005韩宝福,2008)。以断裂为界可划分为6个地体,由东北至西南依次为阿尔泰山地体、北西阿尔泰山地体、中阿尔泰山地体、琼库尔-阿巴宫地体、额尔齐斯地体和布尔津-二台地体(图 1)(Windley et al., 2002)。

图 1 阿尔泰造山带地质简图(据Windley et al., 2002Wang et al., 2006c, 2007cCai et al., 2011) Ⅰ-北阿尔泰山地体;Ⅱ-北西阿尔泰山地体;Ⅲ-中阿尔泰山地体;Ⅳ-琼库尔-阿巴宫地体;Ⅴ-额尔齐斯地体;Ⅵ-布尔津-二台地体;1-青河矿集区; 2-可可托海矿集区; 3-库威-结别特矿集区; 4-柯鲁木特-吉得克矿集区; 5-卡拉额尔齐斯矿集区; 6-大喀拉苏-可可西尔矿集区; 7-小卡拉苏-切别林矿集区; 8-海流滩-也留曼矿集区; 9-加曼哈巴矿集区 Fig. 1 Geological sketch map of the Chinese Altai orogeny belt(modified after Windley et al., 2002Wang et al., 2006c, 2007cCai et al., 2011) Ⅰ-Altaishan terrain;Ⅱ-NW Altaishan terrain;Ⅲ-Central Altaishan terrain;Ⅳ-Qiongkuer-Abagong terrain;Ⅴ-Erqis terrain;Ⅵ-Perkin-Ertai terrain. 1-Qinghe pegmatite district;2-Keketuohai pegmatite district;3-Kuwei-Jiebiete pegmatite district;4-Kelumute-Jideke pegmatite district;5-Kalaeerqisi pegmatite distrct;6-Dakalasu-Kekexier pegmatite district;7-Xiaokalasu-Qiebielin pegmatite district;8-Hailiutan-Yeliuman pegmatite district;9-Jiamanhaba pegmatite district

阿尔泰造山带中花岗岩出露面积达40%(Zou et al., 1988),主要集中于中阿尔泰山地体。花岗岩的就位时代主要有5个峰期,包括479~460Ma(Wang et al., 2006bCai et al., 2011),408~337Ma(主峰期)(Zou et al., 1988Wang et al., 2006bCai et al., 2011),344~290Ma(Zou et al., 1988刘伟,1990张湘炳等,1996),249~210Ma(Zhu et al., 2006Wang et al., 2007b)和~151Ma(Windley et al., 2002)。研究表明,额尔齐斯断裂带以北海西期造山后伸展作用形成的花岗岩体,可能为造山带内岩浆成因伟晶岩的形成提供有利的物源条件(吴柏青和邹天人,1989邹天人,1995)。

中国阿尔泰造山带内已发现的伟晶岩脉达10万余条,是我国重要的稀有金属、宝石、工业白云母成矿区。该成矿带包括2个稀有金属成矿亚带,分别为哈龙-青河成矿亚带和加曼哈巴-大喀拉苏成矿亚带;9个伟晶岩稀有金属矿集区,由西北向东南依次为加曼哈巴、海流滩-也留曼、小卡拉苏-切别林,大喀拉苏-可可西尔、卡拉额尔齐斯、柯鲁木特-吉得克、库威-结别特、可可托海和青河伟晶岩矿集区(图 1)(邹天人和李庆昌,2006)。从加里东期、海西期、印支期至燕山期均有伟晶岩及伟晶岩型矿床形成,由早至晚,元素和矿物组合越来越多、伟晶岩分带越来越完善、矿床规模越来越大、矿种由单一向综合演化(邹天人等,1986王登红等,2004)。可可托海3号脉位于中阿尔泰山地体内,是该造山带内产出的规模最大结构最完整的伟晶岩脉。

2.2 矿床地质特征

可可托海3号脉伟晶岩型稀有金属矿床(Li-Be-Nb-Ta-Cs)位于新疆富蕴县可可托海镇,是一个超大型铍矿、中型锂矿和小型铌钽综合矿床。该矿床由一位牧民于20世纪30年代发现,上世纪断续地进行了开采(邹天人和李庆昌,2006),目前露天矿已基本采掘完毕,进入地下开采阶段。

可可托海3号脉产出于变辉长岩体内(图 2图 3a)。该变辉长岩体东部为角闪辉长岩,西部为斜长角闪岩及少量角闪岩,其SHRIMP锆石U-Pb年龄为408±6Ma(Wang et al., 2006b),LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为409±5Ma(Cai et al., 2012)。矿区范围内发育3种类型花岗岩,分别为黑云母花岗岩、二云母花岗岩和白云母花岗岩。其中,矿区东侧产出的黑云母花岗岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄为409±7Ma(Wang et al., 2006b),矿区西南侧产出片麻状黑云母花岗岩;二云母花岗岩产出于矿区东侧的黑云母花岗岩体和变辉长岩体内;白云母花岗岩产出于矿区东侧的黑云母花岗岩体内。矿区东侧发育伟晶岩脉、花岗岩脉和石英脉。矿区范围内产出的地层主要为哈巴河群,包括含十字石的黑云母-斜长石-石英片岩、含红柱石的黑云母-石英片岩及石英-黑云母片岩(邹天人和李庆昌,2006)。另外,矿区内发育NNW向、NW向和近EW向三组断裂,可可托海3号脉即产出于断裂相交的位置。

图 2 可可托海3号脉矿区地质图(据邹天人等,1986朱金初等,2000改绘) Fig. 2 Geological map of the Koktokay No.3 pegmatite(modified after Zou et al., 1986Zhu et al., 2000)

图 3 可可托海3号脉形态及内部结构分带示意图(据邹天人等,1986邹天人和李庆昌,2006改绘) (a)-3号脉采坑照片;A1,3号脉西侧产出的竖直小脉;A2,竖直小脉岩石照片,发育见锂辉石、石英和白云母等矿物;(b)-3号脉平剖面示意图;(c)-3号脉立体示意图(纵剖面).Spo-锂辉石;Qtz-石英;Mus-白云母 Fig. 3 The shape and internal zonation pattern of the Koktokay No.3 pegmatite(modified after Zou et al., 1986; Zou and Li, 2006) (a)-photo of the Koktokay No.3 pegmatite open pit;A1,a vertical vein located in the west part of the Koktokay No.3 pegmatite;A2,photo of rock composed of spodumene, quartz and muscovite et al., occurred in the vertical vein;(b)-sketch map of horizontal section of the Koktokay No.3 pegmatite;(c)-sketch map of three dimensional and vertical section of the Koktokay No.3 pegmatite. Spo-spodumen;Qtz-quartz;Mus-muscovite

可可托海3号脉形似实心礼帽,由岩钟体和底部缓倾斜体两部分组成(图 3c)。岩钟体走向N335°,倾向北东,倾角40°~80°,沿走向长250m,宽150m,斜深250m(邹天人和李庆昌,2006)。岩钟体发育完美的内部分带结构,呈同心环状,由外向内可划分为9个结构带(图 3b, c),包括文象伟晶岩带(Ⅰ带)、细粒钠长石带(Ⅱ带)、块体微斜长石带(Ⅲ带)、白云母-石英带(Ⅳ带)、叶钠长石-锂辉石带(Ⅴ带)、石英-锂辉石带(Ⅵ带)、白云母-薄片钠长石带(Ⅶ带)、锂云母-薄片钠长石带(Ⅷ带)和块体微斜长石和石英核(Ⅸ带),具体矿物组成和产状规模列于表 1。尽管3号脉划分为9个内部结构带,但每个带由不同的岩相或蚀变岩相带组成(表 1)。外部带包括Ⅰ-Ⅳ带,内部带包括Ⅴ-Ⅷ带。另外,Ⅰ-Ⅱ带为Be矿化、Ⅲ-Ⅳ带为Be-Nb-Ta矿化、Ⅴ-Ⅵ带为Li-Be-Nb-Ta矿化、Ⅶ带为Nb-Ta矿化、Ⅷ带为Ta-Cs-Li矿化、Ⅸ带为Rb-Cs矿化。根据伟晶岩的分类方案(Černy and Ercit, 2005),可可托海3号脉属稀有金属类型中的锂辉石亚类型。

表 1 可可托海3号脉的9个内部结构带的产状、岩石相组成和矿物组成(据王贤觉等,1981Zhang et al., 2004b;邹天人和李庆昌,2006和本次研究) Table 1 Occurrences and components for nine internal zones of the Koktokay No. 3 pegmatite(after Wang et al., 1981Zhang et al., 2004bZou and Li, 2006; and this study)

可可托海3号脉形成时代备受争议,目前主要有早侏罗世(Chen et al., 2000)和晚三叠世(Wang et al., 2007b)两个形成时代。根据矿物学研究(Wang et al., 2006a, 2007a, 2009Zhang et al., 2004a, b ,2008a,b Liu et al., 2005)和包裹体研究(吴长年等, 1994, 1995a, bLu et al., 1997朱金初等,2000),3号脉主要包括3个演化阶段,分别为熔体阶段、熔流体阶段和晚期流体阶段。物质来源以壳源为主(邹天人等,1986),可能有少量幔源物质加入(王登红等, 1998, 2001)。前人研究认为3号脉的伟晶岩岩浆为地壳重熔形成(邹天人等,1986邹天人和李庆昌,2006),可能与矿区外围的黑云母花岗岩、二云母花岗岩为同一岩浆的产物(Zhu et al., 2006),Cao et al.(2013) 认为其与矿区范围内的白云母花岗岩具有成因联系。我们的工作研究表明3号脉和该白云母花岗岩形成时代分别为早侏罗世和中泥盆世(周起凤,2013),成因联系尚不明。

3 云母和长石的产状与结构特征 3.1 产状

可可托海3号脉产出的云母为白云母-锂云母系列。其中,白云母产出于Ⅰ带-Ⅷ带,是Ⅰ带、Ⅱ带、Ⅳ带和Ⅶ带的主要组成矿物,与碱性长石、石英、绿柱石、锂辉石及铌钽铁锰矿等矿物共生;锂云母产出于Ⅴ带-Ⅷ带,是Ⅷ带主要组成矿物,与钠长石、锂电气石和铌钽铁锰矿等矿物共生。其中,部分Ⅰ带和Ⅱ带产出的白云母呈黄-绿色中细粒自形-半自形,部分Ⅰ带、Ⅲ带、部分Ⅳ带、Ⅴ带、Ⅵ带和Ⅷ带产出的白云母呈白色或绿色中粗粒-巨晶自形-半自形,Ⅳ带白云母呈白色或绿色自形-半自形书状集合体产出(图 4d),部分Ⅶ带白云母呈鳞片状集合体产出;锂云母呈典型的玫瑰紫中细粒鳞片状或楔状集合体产出中-粗粒自形-半自形产出(图 4h)。

图 4 可可托海3号脉Ⅰ-Ⅷ带标本照片 (a)-文象结构带(Ⅰ带);(b)-细粒钠长石带(Ⅱ带);(c)-块体微斜长石带(Ⅲ带);(d)-白云母-石英带Ⅳ带;(e)-叶钠长石-锂辉石带(Ⅴ带);(f)-石英-锂辉石带(Ⅵ带);(g)-白云母-薄片钠长石带(Ⅶ带);(h)-锂云母-薄片钠长石带(Ⅷ带).Mus-白云母;Lep-锂云母;Ab-钠长石;Mic-微斜长石;Qtz-石英,Grt-石榴石;Spo-锂辉石 Fig. 4 Photos of Ⅰ-Ⅷ zones of the Koktokay No.3 pegmatite (a)-graphic pegmatite(zone I);(b)-saccharoidal albite(II zone);(c)-blocky microcline(III zone);(d)-muscovite-quartz(zone IV);(e)-cleavelandite-spodumene(V zone);(f)-quartz-spodumene(VI zone);(g)-muscovite-slice albite(VII zone);(h)-lepidolite-slice albite(VIII zone). Mus-muscovite;Lep-lepidolite;Ab-albite;Mic-microcline;Qtz-quartz,Grt-garnet;Spo-spodumene

可可托海3号脉产出的长石主要为碱性长石,即钾长石-钠长石系列,边缘带及外部带(Ⅰ-Ⅲ带)偶见斜长石。钾长石产出于Ⅰ-Ⅸ带,为Ⅰ带、Ⅲ带和Ⅸ带的主要组成矿物;钠长石产出于Ⅰ带-Ⅷ带,为Ⅱ带、Ⅴ带、Ⅶ带和Ⅷ带的主要组成矿物。其中,Ⅰ带产出的钾长石与石英和少量云母呈文象结构产出(图 4a),Ⅲ带和Ⅸ带产出的钾长石呈白色或浅肉红色的巨大块体(图 4c);部分Ⅰ带和Ⅱ带钠长石呈白色细粒半自形-自形产出(图 4b),Ⅲ带产出的钠长石较少,与钾长石呈条纹长石产出,Ⅳ带-Ⅵ带产出的钠长石呈白色叶片状自形-半自形粗粒-巨晶产出(图 4e, f),Ⅶ带和Ⅷ带产出的钠长石呈白色薄片状自形-半自形粗粒产出(图 4g, h)。薄片钠长石粒度较叶钠长石小,表明在经历了叶片状钠长石结晶后,钠长石的粒度发生了收缩,可能为体系经历大量的叶钠长石结晶后,Na含量消耗较大,补给不及叶钠长石阶段所致,因此,薄片钠长石的形成表明Na作用的峰期已过,体系进入Na阶段的晚期。

3.2 背散射下云母的成分分带和结构特征

本区Ⅰ-Ⅳ带产出的白云母成分均一,未表现分带特征(图 5a-e),部分Ⅱ带(细粒钠长石)样品中早期结晶的白云母显示交代残余结构(图 5c)。Ⅴ-Ⅷ带产出的云母成分不均一,常产出交代和不平衡结构(图 5f-i),一些云母显示变形特征(图 5a)。Ⅵ带产出的白云母具有富锂的蚀变边(图 5f)。Ⅷ带产出的锂云母,常伴随白云母的产出,并表现了不同的成分分带形式,主要有3种:(1) 以白云母为核,沿白云母平直边界生长锂云母(图 5h);(2) 白云母与锂云母呈不规则分带或补丁分带产出(图 5g);(3) 锂云母形成后,沿锂云母边界生长白云母(图 5i)。Ⅴ-Ⅷ带产出的云母的成分分带形式表明体系处于不稳定不平衡状态,体系组分发生振荡变化。

图 5 可可托海3号脉云母的背散射图像 (a)-Ⅰ带白云母,膝折;(b)-Ⅱ带中细粒白云母,与钠长石、石英和石榴石共生;(c)-Ⅱ带交代残余白云母;(d)-Ⅲ带白云母;(e)-Ⅳ带成分均一的巨晶白云母;(f)-Ⅵ带白云母,具有富锂蚀变边;(g)-Ⅷ带白云母与锂云母呈补丁分带;(h)-Ⅷ带锂云母形成后,沿其边界发育白云母生长边;(i)-Ⅷ带白云母形成后,沿其边界发育锂云母生长边.Mus-白云母;Lep-锂云母;Ab-钠长石;Qtz-石英;Ap-磷灰石 Fig. 5 BSE images of micas from the Koktokay No.3 pegmatite (a)-kinked muscovite from zone I;(b)-fine muscovite, assembaled with albite, quartz and garnet from zone II;(c)-muscovite with metasomatic and relict texture in zone II;(d)-muscovite from zone III;(e)-giant muscovite with homogeneous composition from zone;(f)-muscovite with Li alteration border from zone VI;(g)-patchy zonation composed of muscovite and lepidolite from zone VIII;(h)-lepidolite with muscovite growth edge from zone VIII;(i)-muscovite with lepidolite growth edge from zone VIII. Mus-muscovite; Lep-lepidolite; Ab-albite; Qtz-quartz; Ap-apatite
4 测试方法 4.1 EMPA

矿物微区主量元素分析(EMPA)在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室利用JEOL-JXA8100电子探针完成。其加速电压为15kV,电子束电流10nA,束斑直径为3~5μm,每个元素数据采集时间20~40s。测试使用的标准样品为天然样品和人工合成氧化物,包括硬玉(Na Kα和Al Kα)、萤石(F Kα)、石榴石(Fe Kα)、镁铝榴石(Mg Kα)、透辉石(Si Kα和Ca Kα)、钙蔷薇辉石(Mn Kα)、磷灰石(P Kα)、金红石(Ti Kα)、钾长石(K Kα)、铬铅矿(Cr Kα)。数据采用ZAF方法(Henoc and Tong, 1978)校正。白云母和锂云母的Li2O含量计算方法据Tischendorf et al.(1997)

4.2 LA-ICP-MS

矿物微区微量元素含量分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)利用LA-ICP-MS 完成。激光剥蚀系统为GeoLas 2005,ICP-MS为Agilent 7500a。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度,二者在进入ICP 之前通过一个T 型接头混合。在等离子体中心气流(Ar+He)中加入了少量氮气,以提高仪器灵敏度、降低检出限和改善分析精密度(Hu et al., 2008)。每个时间分辨分析数据包括大约20~30s 的空白信号和50s 的样品信号。详细的仪器操作条件同Liu et al.(2008) 。以USGS 参考玻璃(如BCR-2G, BIR-1G和BHVO-2G)为校正标准,白云母采用多外标、无内标法(Liu et al., 2008),钠长石采用内标法(Liu et al., 2010)对元素含量进行定量计算。这些USGS玻璃中元素含量的推荐值据GeoReM 数据库(http://georem.mpch-mainz.gwdg.de/)。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量计算)采用软件ICPMSDataCal(Liu et al., 2008, 2010)完成。

5 测试结果 5.1 主量成分(EMPA) 5.1.1 云母

本次研究通过电子探针分析获得可可托海3号脉白云母(Ⅰ-Ⅷ带)和锂云母(Ⅴ-Ⅷ带)的主量成分,结果列于表 2。本区产出的白云母Li2O含量bdl(低于检出限)-1.40%,FeO含量bdl-4.56%,MnO含量bdl-0.53%,F含量bdl-2.60%。其中,边缘带产出的白云母Li2O含量和F含量较低,外部带(Ⅰ-Ⅳ带)白云母的FeO含量(0.35%~4.56%)高于内部带(Ⅴ-Ⅷ带)白云母的FeO含量(bdl-3.54%),内部带中Ⅵ带和Ⅶ带白云母的FeO含量(0.11%~3.54%)高于Ⅴ带和Ⅷ带白云母的FeO含量(bdl-1.87%)。Ⅴ带-Ⅷ带产出的锂云母Li2O含量4.70%~6.90%,FeO含量bdl-6.03%,MnO含量0.12%~1.73%,F含量5.27%~8.42%。其中,Ⅵ带和Ⅶ带锂云母的FeO含量(3.54%~6.03%)高于Ⅴ带和Ⅷ带锂云母的FeO含量(bdl-0.88%)(图 6)。

表 2 可可托海3号脉代表性云母主量成分(wt%) Table 2 Major composition of representative micas from the Koktokay No.3 pegmatite(wt%)

图 6 可可托海3号脉云母的Mg-Li vs. Fe+Mn+Ti-Al图解(底图据Tischendorf et al., 1997) Fig. 6 Plot of Mg-Li vs. Fe+Mn+Ti-Alfor micas from the Koktokay No.3 pegmatite(after Tischendorf et al., 1997)

由此,3号脉Ⅵ带和Ⅶ带产出的白云母和锂云母的FeO含量均高于Ⅴ带和Ⅷ带产出的白云母和锂云母(图 6),表明Ⅴ带-Ⅷ带形成过程中,体系内Fe的含量发生振荡变化。同一岩相结构带产出的锂云母FeO含量高于白云母的FeO含量,表明锂云母相对于白云母更富集FeO。

5.1.2 长石

本次研究通过电子探针分析获得长石类矿物的主量成分,结果列于表 3。3号脉边缘带产出少量斜长石,各结构带产出的碱性长石为较纯净的钾长石端元和钠长石端元(表 3)。边缘带斜长石的Ab牌号57.1~70.3,Or牌号0.1~0.4,An牌号29.6~42.8。Ⅰ-Ⅲ带、Ⅴ带和Ⅷ带产出的钾长石的Or牌号92.4~97.6,Ab牌号2.3~7.5,An牌号0~0.2。钠长石的Ab牌号97.6~99.9,Or牌号0~1.1,An牌号0~2.0。边缘带斜长石的P2O5含量bdl(低于检出限)-0.03%,Ⅰ-Ⅲ带产出的钾长石的P2O5含量0.04%~0.23%,钠长石的P2O5含量bdl(低于检出限)-0.20%。各结构带同种碱性长石的主量成分变化不大。

表 3 可可托海3号脉代表性长石主量成分(wt%) Table 3 Major composition of representative feldspars from the Koktokay No.3 pegmatite(wt%)
5.2 微量成分(LA-ICP-MS) 5.2.1 云母

通过LA-ICP-MS分析测试获得白云母和锂云母的微量成分(表 4)。REE、Y、Sb、Ni、Cu、Mo、Ag、Cd、Bi、As、Se、Th、U均低于检出限。本区云母Li含量249×10-6~35932×10-6,Rb含量1240×10-6~22825×10-6,Cs含量35.9×10-6~13980×10-6,边缘带白云母Li含量较低,由Ⅰ带至Ⅷ带云母Li、Rb和Cs含量升高,Ⅷ带锂云母的Li、Rb和Cs含量高于该带白云母的(图 7a, b表 4)。云母Zn含量15.5×10-6~1023×10-6,边缘带-Ⅳ带白云母Zn含量升高,Ⅳ带>Ⅴ带<Ⅵ带>Ⅷ带(图 7d表 4)。云母Ga含量24.3×10-6~201×10-6,呈现弱的由边缘带至Ⅳ带升高,由Ⅴ带至Ⅷ带降低的趋势(图 7e表 4),边缘带白云母Ga含量较低,Ⅷ带锂云母Ga含量最低,且低于Ⅷ带白云母的Ga含量,表明白云母相对于锂云母更富集Ga。云母B含量6.52×10-6~461×10-6,边缘带-Ⅷ带白云母B含量升高,Ⅷ带锂云母的B含量低于Ⅷ带白云母的,表明白云母相对于锂云母更富集B。云母的Nb含量19.8×10-6~412×10-6,外部带白云母Nb含量(33.8×10-6~412×10-6)高于内部带白云母Nb含量(19.8×10-6~175×10-6),Ⅴ带-Ⅷ带白云母Nb含量降低,Ⅷ带锂云母Nb含量高于Ⅷ带白云母Nb含量,表明锂云母相对于白云母富集Nb(图 7f表 4)。云母Ta含量13.3×10-6~447×10-6,外部带白云母Ta含量(13.3×10-6~235×10-6)低于内部带云母Ta含量(27.3×10-6~368×10-6),Ⅷ带锂云母Ta含量高于Ⅷ带白云母Ta含量,表明锂云母相对于白云母富集Ta(图 7c表 4)。云母Be含量7.86×10-6~71.0×10-6,各结构带的变化不大,边缘带、Ⅴ带和Ⅵ带略低,呈现弱的外部带>Ⅴ带和Ⅵ带<Ⅷ带的趋势(图 7i表 4)。云母Sn含量2.26×10-6~22.9×10-6,外部带白云母Sn含量略高于内部带白云母的Sn含量,Ⅴ带-Ⅷ带Sn含量降低,Ⅷ带锂云母Sn含量低于检出限(图 7g表 4)。云母W含量0.67×10-6~119×10-6,外部带白云母W含量低于内部带白云母W含量,Ⅴ带-Ⅷ白云母W含量降低,Ⅷ带锂云母W含量高于Ⅷ带白云母的,表明锂云母相对于白云母更富集W(图 7h表 4)。云母Ge含量2.32×10-6~31.6×10-6,外部带白云母Ge含量略低于内部带白云母Ge含量,Ⅷ带云母Ge含量稍高。云母Pb含量1.46×10-6~31.6×10-6,Ⅷ带云母Pb含量稍高。云母Sc含量(0.31×10-6~4.55×10-6)较低,各结构带的变化不大,Ⅵ带略高。云母Co含量(0.46×10-6~79.6×10-6)较低,各结构带的变化不大,边缘带略高,Ⅷ带云母低于检出限。云母Ⅴ含量(0.46×10-6~101×10-6)较低,边缘带和Ⅵ带略高,Ⅷ带云母低于检出限。云母Sr、Ba、Zr含量多低于检出限,其中边缘带的Sr和Ba含量稍高,外部带白云母Zr含量略高。由上,锂云母相对于白云母更富集W、Nb和Ta,贫Ga、Sn和B。

表 4 可可托海3号脉云母LA-ICP-MS微量元素成分(×10-6) Table 4 Trace element composition of micas from the Koktokay No. 3 pegmatite (×10-6)

图 7 可可托海3号脉不同结构带云母的K/Rb vs. Cs、Li、Ta、Zn、Ga、Nb、Sn、W、Be相关图解 Fig. 7 K/Rb vs. Cs,Li,Ta,Zn,Ga,Nb,Sn,W,Be for micas of the Koktokay No.3 pegmatite

云母的K/Rb值范围为4.23~59.4,K/Cs值范围为6.53~2368,边缘带-Ⅷ带云母K/Rb值和K/Cs值降低,外部带云母的K/Cs值明显高于内部带。云母的Nb/Ta值0.13~13.3,且外部带明显高于内部带。

5.2.2 长石

(1) 钠长石

通过LA-ICP-MS分析测试获得3号脉边缘带和Ⅰ带-Ⅷ带钠长石的微量元素成分(表 5),其中Li含量0.18×10-6~17.3×10-6,Be含量0.59×10-6~14.4×10-6,Rb含量0.32×10-6~23.6×10-6,Ⅶ带钠长石Rb含量低于检出限,Sr含量0.34×10-6~22.4×10-6,部分Ⅳ带和Ⅶ带钠长石Sr含量低于检出限,Sc含量0.54×10-6~2.64×10-6,Ga含量16.0×10-6~36.5×10-6,Ge含量1.80×10-6~31.3×10-6,Pb含量0.91×10-6~33.9×10-6,B含量3.94×10-6~27.0×10-6。外部带钠长石的Li、Ga、Ge、Pb含量变化趋势为边缘带>Ⅰ带<Ⅱ带>Ⅲ带<Ⅳ带;Rb含量变化趋势为边缘带<Ⅰ带>Ⅱ带<Ⅲ带>Ⅳ带;Sr含量变化趋势为边缘带>Ⅰ带<Ⅱ带<Ⅲ带>Ⅳ带;Cs含量变化趋势为边缘带<Ⅰ带>Ⅱ带<Ⅲ带<Ⅳ带。内部带钠长石的Li、Be、Pb含量变化趋势为Ⅴ带>Ⅵ带<Ⅶ带>Ⅷ带,呈振荡变化;而Ga、Ge、Rb、Sr和Cs含量变化趋势为Ⅴ带<Ⅵ带>Ⅶ带<Ⅷ带,呈振荡变化;Sn含量变化趋势为Ⅴ带<Ⅵ带>Ⅶ带>Ⅷ带(图 8表 5)。Zn含量0.65×10-6~733×10-6,边缘带较高,Ⅳ-Ⅷ带多低于检出限。Sn含量0.18×10-6~4.55×10-6,内部带低于或在检出限附近。Cr、Cu、Sb、Cs和Ba均低于或在检出限附近(表 5)。边缘带-Ⅷ带钠长石K/Rb值范围为18.0~7074,Rb/Sr值范围为0.02~31.7。

表 5 可可托海3号脉长石LA-ICP-MS微量元素成分(×10-6) Table 5 Trace element composition of feldspars from the Koktokay No. 3 pegmatite(×10-6)

图 8 可可托海3号脉各结构带长石微量元素含量变化 Fig. 8 The trace-element composition of the feldspars from Ⅰ-Ⅷ zones of the Koktokay No.3 pegmatite

(2) 钾长石

通过LA-ICP-MS分析测试获得3号脉Ⅰ带和Ⅲ带钾长石的微量元素成分(表 5)。其中,Rb和Cs含量分别为1575×10-6~3578×10-6和31.4×10-6~781×10-6,Ⅰ带钾长石Rb和Cs含量高于Ⅲ带钾长石。Ⅰ带和Ⅲ带钾长石的Be含量1.53×10-6~17.5×10-6、Ga含量11.9×10-6~22.1×10-6、Sr含量0.91×10-6~9.89×10-6和B含量5.85×10-6~11.3×10-6,Ⅰ带钾长石的这些元素含量略低于Ⅲ带钾长石的(图 8表 5)。Ⅰ带和Ⅲ带钾长石Pb含量25.0×10-6~154×10-6,Li含量36.1×10-6~92.0×10-6,两结构带的变化不大。Ⅰ带和Ⅲ带钾长石的Sc含量0.66×10-6~11.3×10-6、Ge含量2.63×10-6~5.08×10-6、Sn含量2.92×10-6~5.05×10-6,两结构带相差不大。Ba含量0.36×10-6~13.1×10-6,Ⅰ带钾长石的Ba含量高于Ⅲ带钾长石的。Ⅰ带和Ⅲ带钾长石的Cu、Zn、Sb、Cr含量低于或在检出限附近。Ⅰ带和Ⅲ带钾长石K/Rb值范围为35.4~1865,Ⅰ 带低于Ⅲ带;Rb/Sr值范围为204~3732,Ⅰ带高于Ⅲ带。

(3) 斜长石

3号脉边缘带和Ⅰ-Ⅲ带斜长石的微量成分(表 5)显示斜长石Rb和Cs含量分别为0.28×10-6~1719×10-6和1.53×10-6~292×10-6,其中,边缘带最低,Ⅱ带斜长石Rb含量(46.4×10-6)和Cs含量(5.60×10-6)与Ⅰ带和Ⅲ带斜长石Rb含量(718×10-6~1715×10-6)和Cs含量(46.4×10-6~292×10-6)相差较大,呈边缘带<Ⅰ带>Ⅱ带<Ⅲ带的趋势,振荡变化(图 8表 5)。边缘带和Ⅰ-Ⅲ带斜长石的Li含量15.1×10-6~184.8×10-6,边缘带和Ⅱ带较高;Be含量2.02×10-6~132.6×10-6,边缘带较高,达132.6×10-6,Ⅰ带和Ⅲ带低于Ⅱ带;Sr含量1.53×10-6~521×10-6,边缘带Sr含量高,Ⅰ-Ⅲ带斜长石Sr含量1.68×10-6~9.74×10-6;Ga含量16.9×10-6~24.9×10-6;Li、Be、Sr和Ga含量呈边缘带>Ⅰ带<Ⅱ带>Ⅲ带的趋势,振荡变化(图 8表 5)。Pb含量11.3×10-6~42.4×10-6,变化不大。Sn含量2.25×10-6~2.97×10-6,Ge含量2.20×10-6~6.21×10-6,Sc含量0.71×10-6~1.65×10-6,含量较低,变化不大。B含量1.53×10-6~15.0×10-6,边缘带和Ⅰ带略低于Ⅱ带和Ⅲ带。Cr含量0.83×10-6~14.7×10-6,边缘带和Ⅲ带低于检出限。Ba含量3.19×10-6~19.31×10-6,边缘带稍高,Ⅱ带和Ⅲ带Ba含量低于检出限。Zn含量0.36×10-6~12.9×10-6,部分低于检出限。Sb含量、Cu含量低于或在检出限附近。边缘带-Ⅲ带产出的斜长石K/Rb值范围为38.3~1113,变化较大;Rb/Sr值范围为4.77~572,变化较大。

6 讨论 6.1 3号脉的分异演化程度及演化趋势

一般认为云母的Li、Rb、Cs、F、Ba、Sn、Zn含量和K/Rb值及钾长石的K/Rb值可以反映伟晶岩的演化趋势和分异演化程度,即伴随演化程度加大,云母Li、Rb、Cs、F含量升高,Ba含量减低,云母和钾长石的K/Rb值降低(Foord et al., 1995Wise,1995Roda et al., 1995, 2006, 2007; Pesquera et al., 1999Kile and Foord, 1998Clarke and Bogutyn, 2003Černy et al., 1985Černy, 1991, 2004Viana et al., 2007Vieira et al., 2011)。

由外向内,3号脉Ⅰ-Ⅷ带云母的Li、Rb、Cs、Ta含量逐渐升高,K/Rb值和K/Cs值逐渐降低(图 7a-c表 4),表明分异程度和演化程度升高,且3号脉是由外向内结晶演化的。除云母的Li、Rb、Cs含量外,云母的Ta含量也与K/Rb值呈负相关(图 7c),表明云母Ta含量也可作为伟晶岩分异演化程度标志。然而,与前人提出的随演化程度加大Zn和Sn含量升高(Roda-Robles et al., 1995, 2007Viana et al., 2007)不同,3号脉云母的Zn和Sn由外向内呈先升高后降低的趋势。另外,云母Be含量与演化程度的相关性不明确(Smeds,1992Wise,1995Vieira et al., 2011),3号脉云母的Be含量与K/Rb值也未呈线性相关,表明云母Be含量作为伟晶岩演化程度指示剂的可能性不大。

与世界其它不同矿种的伟晶岩型稀有金属矿床及不含矿的伟晶岩对比,如加拿大著名的Tanco矿床(Van Lichtervelde et al., 2008Goad and Černy,1981)、纳米比亚Karbib伟晶岩带(Roda-Robles et al., 2007)、西班牙Cap de Creus伟晶岩区(Alfonso et al., 2003)、阿根廷Totoral伟晶岩区(Oyarzábal et al., 2008),3号脉内部带云母的K/Rb值及Cs含量与分异演化程度很高的Tanco矿床相近(图 9a),表明3号脉是一个分异演化程度较高的伟晶岩脉。由外向内,3号脉各结构带演化程度的趋势与世界其它伟晶岩区不含矿→Be-Nb-Ta→Li-Cs-Be-Ta→Tanco矿床的变化趋势一致,也说明3号脉的演化程度由外向内不断加大(图 9a)。由于3号脉Ⅸ带已被开采尽,本次工作未采集到Ⅸ带钾长石,因此Ⅰ带和Ⅲ带钾长石的K/Rb值相对于Tanco矿床稍高,Cs含量略低,外部带的钾长石显示的演化程度与Li-Cs-Be-Ta和Be-Nb-Ta型稀有金属矿床的演化程度相近(图 9b)。另外,前人研究认为白云母的Ba含量随演化程度加大而降低(Vieira et al., 2011),3号脉白云母Ba含量低于检出限,表明3号脉分异演化程度很高。由上,3号脉为由外向内结晶的分异演化程度很高的伟晶岩脉。

图 9 可可托海3号脉云母和长石的K/Rb-Cs图解 (a)-3号脉云母的K/Rb-Cs图解;(b)-3号脉长石的K/Rb-Cs图解.彩色虚线区域为不同类型稀有金属矿床和不含矿伟晶岩中云母和钾长石的K/Rb值和Cs含量.其中,Li-Cs-Ta,产地为加拿大Tanco超大型稀有金属矿床(Goad and Černy,1981),该矿床是世界上最大的Ta矿床之一,分异演化程度很高;Li,产地为纳米比亚Karibib伟晶岩带,结构分带不多的含锂云母伟晶岩产(Roda et al., 2007);不含矿-Li-Cs-Be-Sn-Nb-Ta,产地为纳米比亚Karibib伟晶岩带,产出不含矿和不同类型稀有金属矿床(Roda et al., 2007);Be-Nb-Ta,产地为阿根廷Totoral伟晶岩区(Oyarzábal et al., 2008);不含矿、Li-Be-Ta和Li-Cs-Be-Ta,产地为西班牙Cap de Creus伟晶岩区(Alfonson et al., 2003) Fig. 9 K/Rb vs. Cs for micas and feldspars of the Koktokay No.3 pegmatite (a)-K/Rb vs. Cs for micas of the Koktokay No.3 pegmatite;(b)-K/Rb vs. Cs for feldspars of the Koktokay No.3 pegmatite. The region limited by colorful dashed lines are K/Rb values and Cs contents from different types of rare-metal pegmatite deposits and pegmatites. Among these pegmatites, Li-Cs-Ta refers to the Tanco deposit, Manitoba, Canada(Goad and Černy,1981),one of the world’s major Ta deposits with high fractionation;Li refers to a pegmatite with less zones and and featured by lepidolite from the Karibib pegmatite belt, Namibia(Roda et al., 2007);barren-Li-Cs-Be-Sn-Nb-Ta refers to the Karibib pegmatite belt, Namibia(Roda et al., 2007);Be-Nb-Ta refers to the Totoral pegmatite field, Argentina(Oyarzábal et al., 2008);barren, Li-Be-Ta and Li-Cs-Be-Ta refers to the Cap de Creus pegmatite field, Spain(Alfonson et al., 2003)
6.3 3号脉云母和长石成分振荡变化现象与熔体不混溶过程

由上述分析测试结果,可可托海3号脉各结构带产出的云母和碱性长石的主量和微量成分呈现广泛的振荡变化趋势,即同一元素含量在相邻连续结构带发生明显的升高或降低。其中,内部带中白云母和锂云母FeO含量在Ⅴ带和Ⅷ带高于Ⅵ带和Ⅶ带(图 6);内部带中白云母Zn含量升高后降低,Be含量降低后升高(表 5);外部带钠长石的Li、Ga、Ge、Pb、Rb、Sr、Cs含量以及内部带钠长石的Li、Be、Pb、Ga、Ge、Rb、Sr、Cs、Sn含量在各结构带之间多呈振荡变化(图 8);边缘带-Ⅲ带斜长石Rb和Cs含量,升高后降低再升高,Li、Be、Sr、Ga含量降低后升高再降低(图 8)。另外,在尺度稍小的情况下(同一矿物颗粒),也见这种元素含量的振荡变化现象,如云母的BSE图像显示3号脉Ⅷ带白云母和锂云母互为生长边产出,表明Li和F含量呈振荡变化(图 5h, i)。

云母和长石的主微量成分的振荡变化现象,可能有3个形成机制:(1) 外界熔体或流体的注入使得体系组分发生改变,进而导致同种矿物含量发生变化。(2) 矿物结晶导致体系组分不平衡,即矿物结晶(某种矿物和共生矿物)导致体系中某些元素含量发生变化,使得下一个结构带形成时体系中该种矿物富集或亏损这些元素。(3) 体系中熔体发生不混溶产生性质不同的熔体,使得同种矿物含量发生变化。熔体不混溶可形成性质互补或不同的两种或多种熔体,这些熔体结晶形成的同种矿物具有组分上的差异。

首先,关于(1) 外界熔体或流体注入的机制,前人研究表明伟晶岩多为封闭体系(Jahns and Burnham, 1969London,2005),与外界交换物质不多,围岩蚀变有限,且同位素研究表明3号脉在形成过程中并无外来物质的加入(邹天人和李庆昌,2006)。由于3号脉的上升通道尚未验证,且补给物质的证据难以保存下来,不能确定是否存在深部岩浆房补给物质,即使存在这样的熔体或流体的加入,也很难形成连续相邻结构带矿物主微量成分振荡变化的现象。因此,外界熔体或流体的注入导致各结构带云母和长石主微量成分的振荡变化可能性不大。(2) 和(3) 均为伟晶岩自身演化所致,其中,(2) 矿物结晶导致体系组分不平衡机制为理想条件下的模型,实际上受多个共生矿物种类、矿物的结晶习性、矿物含量影响,该机制显得较为复杂,它可能影响了尺度较小的同一矿物颗粒主微量成分的变化,如互为生长边的白云母和锂云母,但不是各结构带云母和碱性长石主微量成分振荡变化的主要机制。(3) 由于冷却作用和分异结晶作用,伟晶岩体系可发生熔体不混溶(Thomas et al., 2000, 2009),这种熔体不混溶过程形成性质不同的共轭熔体,进而使得其结晶出的矿物主微量组分呈共轭互补,表现振荡变化特征。因此,熔体不混溶是不同结构带产出的云母和长石主微量组分振荡变化的主要机制。不同结构带某些微量组分未表现振荡变化的趋势,可能为其他共生矿物的结晶和熔体不混溶程度不同所致。

另外,可可托海3号脉发育多种熔融包裹体和熔流包裹体(吴长年等, 1994, 1995a, bLu et al., 1997李兆麟等,1998朱金初等,2000),与Thomas et al.(2000, 2009)提出的熔体不混溶形成的A型和B型熔融包裹体一致,表明可可托海存在并发育熔体不混溶的现象。考虑到不同结构带产出的云母和长石主微量组分的振荡变化,以及3号脉形成过程中碱质元素K-Na-Li的交替变化(王贤觉等,1981),笔者认为熔体不混溶过程对3号脉的9个内部结构带的形成具有重要影响。

6.3 3号脉的两阶段演化过程(外部带-内部带)与泄压事件

本次研究通过云母和长石的主微量分析结果及云母在BSE图像下表现出的多种成分分带,发现外部带(Ⅰ-Ⅳ带)和内部带(Ⅴ-Ⅷ带)云母和长石具有明显差异:(1) 矿物种属发生转变,3号脉在Ⅴ带开始产出锂云母,即内部带产出锂云母;(2) 矿物主微量元素含量在外部带和内部带间发生明显转变(升高或降低):白云母的FeO、Nb和Sn含量外部带明显高于内部带(图 7f, g表 2表 4),白云母的Ta、Ge和B含量外部带明显低于内部带(图 7c表 4),钠长石Zn和Sn含量外部带较低(表 5),内部带低于检出限;(3) 矿物元素对比值发生明显转变:外部带的白云母K/Cs值和Nb/Ta值明显高于内部带;(4) 云母BSE结构中外部带产出的云母无成分分带,而内部带产出的云母具有批式分带、补丁分带、富锂蚀变边,发育不平衡和交代结构。这些外部带(Ⅰ-Ⅳ带)和内部带(Ⅴ-Ⅷ带)的明显差异为内部带演化程度明显加大,流体组分比例升高,表明体系已由以熔体为主的阶段进入以熔流体为主相对不稳定的阶段。张辉(2001) 通过外部带(Ⅰ-Ⅳ带)和内部带(Ⅴ-Ⅷ带)的电气石B同位素特征的明显差异现象,认为外部带和内部带是两个不同的演化阶段。值得注意的是,这种外部带和内部带的差异是突变的,体系在Ⅳ带和V带间发生了突然转变。宏观上,3号脉也记录了这个突变事件。由图 3A1,3号脉采坑西侧产出一条竖直的小脉,该脉根部位于Ⅳ带和Ⅴ带之间,穿过Ⅰ-Ⅳ带进入围岩,脉内产出绿柱石、铌钽铁锰矿和锂辉石矿物(图 3A2),表明该脉形成于Ⅳ带和Ⅴ带之间,可能为体系压力过大而发生释放所致。这条竖直小脉的产出与邹天人和李庆昌(2006) 提到的3号脉在Ⅳ带结晶末期体系内巨大压力引起Ⅰ-Ⅳ带破裂的现象是一致的,均为压力过大而释放的结果。由于这两个现象(竖直小脉和破裂的Ⅰ-Ⅳ带)与矿物特征的突变在时间上是一致的,因此推测这个突变事件是一个泄压事件。泄压事件使得体系内流体出溶,体系进入了熔流体为主的阶段,导致内部带和外部带在矿物组分与结构上发生了明显变化。由此,Ⅳ带和Ⅴ带间的泄压事件使得3号脉经历了两个不同的形成阶段,即外部带以熔体为主的阶段和内部带以熔流体为主的阶段。熔体阶段和熔流体阶段则控制了3号脉的主要形成过程。

7 结论

可可托海3号脉产出的云母包括白云母和锂云母,锂云母集中在内部带(Ⅴ-Ⅷ带),外部带(Ⅰ-Ⅳ带)白云母不具成分分带结构,偶见交代残余结构,内部带云母发育交代和不平衡结构,白云母和锂云母互为生长边或呈不规则分带产出。3号脉产出的长石主要为碱性长石(钾长石和钠长石),见少量斜长石,钾长石呈块体产出,或与石英呈文象结构产出,钠长石则呈细粒、叶片状和薄片状产出。云母的主微量成分表现为高的Li、Cs、F、Ta含量,低K/Rb值和K/Cs值,由外向内Li、Cs、F、Ta含量升高且K/Rb值降低;内部带中白云母和锂云母FeO含量及白云母Zn和Be含量呈振荡变化;外部带白云母的FeO、Nb和Sn含量明显高于内部带,而Ta、Ge和B明显低于内部带。碱性长石的主量组分各结构带没有明显变化,钾长石的微量组分表现为高Cs和低K/Rb值;斜长石和钠长石的微量组分在连续相邻结构带呈振荡变化;内部带钠长石的Zn和Sn含量明显低于外部带。云母和钾长石的微量组分,如低K/Rb值和高Cs含量等,表明可可托海3号脉是一个由外向内结晶的分异演化程度较高的伟晶岩脉。3号脉云母的主微量组分和长石的微量组分在各结构带的振荡变化现象主要为熔体不混溶所致,也受矿物结晶不平衡机制影响。熔体不混溶过程对3号脉的内部结构带形成具有重要作用。外部带和内部带产出的云母和长石组分和结构上的明显差异,表明体系由熔体阶段(外部带)进入熔流体阶段(内部带),结合野外观察证据,笔者认为促使熔流体阶段形成的是体系在Ⅳ带和Ⅴ带之间发生的泄压事件。熔体阶段(外部带)和熔流体阶段(内部带)控制了3号脉的主要形成过程。

致谢 新疆有色金属地质勘查局申茂德总工程师、701队郭峰高级工程师以及新疆有色集团可可托海矿山有关领导和同仁在野外工作中提供了大力协助和支持;中国科学院地质与地球物理研究所毛骞高级工程师和马玉光高级实验师在电子探针分析测试时给予了帮助;中国地质大学(武汉)刘勇胜教授和胡兆初教授在LA-ICP-MS测试分析中给予了帮助;承蒙李光明副研究员、博士生曹明坚和王春龙的讨论启发;审稿人提出了宝贵的意见和建议;在此一并表示衷心的感谢。
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